核能与先进核燃料循环技术发展动向

核能与先进核燃料循环技术发展动向

马新春

（中电华元核电工程技术有限公司烟台分公司山东省烟台市265100）

摘要：中国是世界第一能源生产大国，是第一能源消费大国，第一人口大国，也是世界二氧化碳第一排放大国，还是二氧化硫、氮氧化物、雾霾污染严重的国家之一。可是中国能源资源不足，不到世界人均占有量的二分之一，石油对外依存度逼近60%，已达到严重不安全程度。为此，我国必须发展清洁能源、低碳能源、新能源，积极推进我国完整、强大的核能(电)产业体系建设，以保证我国能源安全、经济安全、环境安全，提高幸福指数，推进社会生态发展。

关键词：核能；先进核燃料技术；发展动向

1.核能产业体系的特征

核能产业体系(简称核能体系)是指与核能资源链、产品链、产业链、物流链、技术链、服务链(如研发、设计)、价值链密切相关且相互链接的核能研究、开发、建设、生产、退役、废物处置的核事业、核产业、核企业群的构成与系统。它有如下特点：

1.1以核能开发利用为特色，并具有放射性

核能产业体系是以原子核能利用为特色的产业。既继承又发展了化工、机械、冶金、电子传统产业，是一个新产业。包括核燃料、核发电、核供热、核推进动力；包括核工业、核农学、核医学、核科技、核军工、辐射技术等。核产业具有放射性，从地质、采矿、冶金、放化、堆工、后处理、废物处置都有放射性。由于核安全、辐射安全和核环境安全的特殊要求，对所用的材料、设备以及制造和建筑安装作业均有不同于常规工业的严格质量要求，如高纯度、高精度、耐辐照、耐腐蚀、高清洁度、高密封性等。需要建立和贯彻执行严格的质量保证体系和安全文化体系。

1.2以核能研究为先导，具有知识技术密集性

核能(电)体系是技术、知识密集型产业体系。如堆型开发，铀同位素分离技术的成熟，都要经过十几年，几十年的时间；聚变能的可控开发要经过一个世纪以上。核能研发试验经费在法国一直占核能经济投入的1/3。科学技术是生产力，核科学、核技术是引导核产业发展的第一生产力。所以，必须把从事核能基础理论、应用研究、核能战略、规划、设计、经济管理研究，核能专用人才培养等服务事业、产业纳入这个体系推进“产、学、研”一体化。

1.3一个综合的跨行业体系

核工业是在原有工业和科学技术的基础上发展起来的，必须最大限度地利用已有技术、工艺和成就，其范围包括地质勘探、采矿、冶金、化工、电力、机械制造、建筑、机电、电子、精密仪表、环境保护等产业和物理、化学、生物学、地质学、气象学、计算机、自动控制、材料科学、传热学、医学、心理学、经济管理等科学。核能体系是一个综合的、跨行业的体系，它利用和发展了上述行业的技术、工艺、生产过程。一个聚集多产业、事业、服务业为一体的经济体系。

2.先进核燃料循环是实现核能可持续发展的必要条件

2.1核燃料循环概念

核能系统的核燃料循环(本文指铀/钚燃料循环)是指从铀矿开采到核废物最终处置的一系列工业生产过程,它以反应堆为界分为前、后两段。核燃料在反应堆中使用之前的工业过程,称为核燃料循环前段,它包括铀矿勘查开采、矿石加工冶炼、铀浓缩和燃料组件加工制造;核燃料从反应堆卸出后的各种处理过程,称为核燃料循环后段,它包括乏燃料中间储存、乏燃料后处理、回收燃料(PU和U)再循环、放射性废物处理与最终处置。回收燃料可以在热中子堆(热堆)中循环,也可以在快中子堆(快堆)中循环,统称核燃料闭式循环。如果乏燃料不进行后处理而直接处置,则称为一次通过循环。

众所周知,热堆核燃料一次通过循环的铀资源利用率低于1%；热堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高0.2-0.3倍；快堆核燃料闭合循环可使铀资源的利用率提高50-60倍甚至更多。目前,国际上对于采用核燃料闭合循环还是一次通过循环尚无共识。尽管按照目前的铀价和估计的铀资源,一次通过循环的经济性略优于闭合循环,但从可持续发展的角度出发,为了充分利用铀资源和减少核废物体积及其毒性,核燃料闭合循环(或循环经济)是必由之路。

2.2核燃料与核燃料循环体系

核燃料与核燃料循环体系，是指核燃料生产与循环利用的系统，包括裂变核燃料与聚变核燃料体系。它是核能的燃料、动力，是核工业的基础。核能(电)的核心就是使燃料裂变或聚变成能源、电力、动力。

裂变核燃料产业主要有、、裂变核燃料的生产，包括铀矿、钍矿的开采、冶炼、铀的富集、燃料元件加工、乏燃料元件处理回收铀钚。天然存在，是由在反应堆中辐照、转变得到的；是由转换得到的。核燃料与化工燃料相比是一个复杂得多的工艺阶段，是可循环使用的产业体系。

3.对于我国核电技术发展的启示

①从战略、从长远对核能产业作国家发展定位包括核能源、核电战略，核燃料战略，核战略，辐射技术用于科研、军工、工、农、医、社、环境、生态的战略定位，特别是对核电大国、强国的定位；

②根据战略定位制定核能产业规划提出对核电、核燃料、辐射技术、核科技发展等产业规划；

③根据核产业规划提出推进核能各产业发展方针、政策、措施；

④国家对核能产业、事业、经济的领导、管理体制要改革，做好顶层设计。在市场与政府二者作用中找到一个平衡、统一点，才利于这种军民结合，敏感产业的发展；

⑤合力推进我国三代自主化核电“落地”与“走出去”战略；

⑥增加核科技人力、物力、资金投入；

⑦核能产业发展仍需要融资，需要税收、定价、舆论等政策的支持。

4.我国核燃料循环科技工业的发展战略

4.1我国核能的发展前景

我国核能发展的方针将坚持热堆(压水堆)快堆聚变堆的路线。目前国际上许多学者认为,快堆核能系统有可能在2030年之后达到商用化。快堆核能系统进入核能市场的时机,除了取决于快堆核能系统(包括快堆乏燃料后处理、快堆燃料制造等)的技术成熟度之外,还在于其与热堆电站的经济竞争力,只要还能购到较便宜的铀,热堆电站将继续运行。所以,在今后50年内,热堆电站可能仍将是全世界核电的主体,并在2050年之后继续发挥重要作用。如果快堆核能系统能在2030年之后少量投入商用,则可能会在2050年之前得到稳步发展并在21世纪末成为核电主体。

4.2我国闭式核燃料循环的方案考虑

闭式核燃料循环可采取两种方案:一是分离钚在热堆循环一次后进入快堆系统循环；二是分离钚直接进入快堆系统循环。

方案一的优点是可给快堆燃料循环技术发展一定的缓冲时间,钚在热堆中使用可为在快堆中使用积累经验,且国际上已实现工业化,比较稳妥。缺点是铀资源利用率的提高有限(20%～30%)；目前国际上的商用后处理流程尚未考虑核素全分离,若为了热堆燃料循环而急于建设大型后处理厂,则难以建成技术先进的后处理厂。

方案二的优点是铀资源利用率高,有利于实现废物最少化；快堆乏燃料后处理对分离因子要求可降低,从而可简化流程,降低后处理成本；可适当延迟热堆乏燃料商业后处理厂建厂时间,有利于进一步改进、提高后处理技术,以便建设较为先进的后处理厂。该方案的问题是快堆燃料循环国际上可能到2030年左右才能达到商用化,我国尚未起步；延长乏燃料储存时间需要增加热堆乏燃料储存容量。

结语

由于我国核燃料循环后段的技术基础相当薄弱,要实现上述目标无疑具有很大的挑战性。因此,我们必须动员全国力量,大力加强先进后处理技术的研究开发工作；在后处理中试厂建成以后,不断提高中试厂的运行水平,为建设大厂积累经验；注意吸取国外后处理厂运行中的经验与教训,借鉴国外研究开发的最新成就。

参考文献

[1]郭忠茂，核能与先进核燃料循环技术发展动向[J].现代电力，2006.

[2]任德曦，胡泊.核能经济与管理发展的研究[M].北京:原子能出版社，2008.

[3]唐文忠，刘纯一.核能发展的最新动向及对我国发展核电技术的启示[J].中国核工业，2003.